江 念，王召巴，陳友興，陳 玉

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051）

電磁超聲檢測鋼板厚度實驗的參數(shù)優(yōu)化*

江 念，王召巴，陳友興*，陳 玉

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051）

為提高電磁超聲檢測信號的信噪比，研究激勵信號頻率、脈寬及換能器提離距離對厚度測量結(jié)果的影響，搭建了電磁超聲實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用RITEC-SNAP 5000產(chǎn)生高能正弦波激勵電磁超聲換能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer），通過調(diào)節(jié)激勵信號的頻率、脈寬，改變提離距離來觀測超聲回波幅度的變化。實驗結(jié)果表明：當激勵頻率和EMAT固有頻率相同時其換能效率最高，采用6個周期的脈沖串時前后波包之間分界明顯，為獲得較大的回波幅度應(yīng)盡可能減小提離距離。

電磁超聲；無損檢測；厚度測量；激勵頻率；提離距離

電磁超聲換能器是一種非接觸型超聲波傳感器。與傳統(tǒng)壓電超聲換能器相比，EMAT不需要聲耦合劑、也不需要對試件表面預(yù)處理，就能夠方便地產(chǎn)生出多種類型超聲波，可以成功地應(yīng)用到高溫、高速、在線等特殊的無損檢測環(huán)境中［1］。目前，在歐美等國家電磁超聲技術(shù)已被應(yīng)用于在線測厚、煉鋼及鐵路軌道等無損檢測領(lǐng)域，并逐漸成為國外較為主流的無損檢測技術(shù)之一。

實際應(yīng)用中，EMAT的能量轉(zhuǎn)換效率低。若增大換能器激勵源的功率，由此會產(chǎn)生強烈的電磁干擾，并使得線圈發(fā)熱，導(dǎo)致接收信號信噪比低，限制了電磁超聲的廣泛應(yīng)用。為了提高電磁超聲接收信號的信噪比，提高檢測信號的質(zhì)量，國內(nèi)外研究人員做了大量的試驗工作。比如，文獻［2］研制一種參數(shù)可調(diào)的新型脈沖激勵電源，解決了EMAT能量轉(zhuǎn)換效率低、缺陷檢測靈敏度低等問題，并成功應(yīng)用于鋼板/鋼管的電磁超聲導(dǎo)波檢測；文獻［3］針對低噪聲接收放大電路，設(shè)計了低噪聲前置放大器，成功實現(xiàn)了電磁超聲皮米級的位移檢測；文獻［4-5］優(yōu)化了阻抗匹配電路，得到了較大激發(fā)功率；文獻［6］利用線性調(diào)頻脈沖激勵換能器，把脈沖壓縮處理技術(shù)應(yīng)用到EMAT測厚和金屬板成像中，增大了接收信號的信噪比。本文在橫波測厚的實驗前提下，研究了激勵頻率對EMAT換能效率的影響，分析了激勵脈沖寬度及提離距離與回波幅度之間的關(guān)系，為電磁超聲檢測中的參數(shù)優(yōu)化提供了實驗依據(jù)。

1 EMAT換能機制

EMAT由線圈、磁鐵和具有良導(dǎo)體性質(zhì)的被測試件3部分組成，其中激勵線圈和偏置磁鐵是EMAT探頭的重要組成部分。在實際應(yīng)用中，為了能夠有效激發(fā)能量集中的電磁超聲波，常采用曲折線圈、螺旋線圈以及與其相互垂直或平行等形式的靜磁場設(shè)計電磁超聲探頭，并適當調(diào)整、優(yōu)化其參數(shù)結(jié)構(gòu)。

EMAT在鋼板中激發(fā)出電磁超聲橫波的換能機制如圖1所示。線圈在上高頻大功率電流的激勵作用下使鋼板中產(chǎn)生交變的電磁場，并在鋼板表層的趨膚深度內(nèi)感生出渦流；同時偏置靜磁場（由永久性磁鐵產(chǎn)生）作用于感生渦流，使得感生渦流場受到洛侖茲力的作用而引發(fā)鋼板表面質(zhì)點進行高頻振動，從而激發(fā)出超聲橫波［7-9］。相應(yīng)的，利用EMAT接收超聲波是上述過程的逆效應(yīng)過程。

圖1 電磁超聲換能器的換能機理

結(jié)合電磁超聲激發(fā)原理及電磁學(xué)理論，EMAT產(chǎn)生洛倫茲力的過程可以被描述為：

以上各式中，Hd為激勵電流所產(chǎn)生的磁場強度。μ為被測試件的相對磁導(dǎo)率，EE表示感生渦流場的電場強度，γ為被測試件的相對電導(dǎo)率，JE代表了感生渦流場的密度。式（1）、式（2）描述了通電高頻線圈在其周邊小范圍內(nèi)產(chǎn)生交變電磁場Bd的過程。式（3）、式（4）描述了在交變電磁場Bd作用下，試件集膚層產(chǎn)生渦流場JE的過程，式（5）描述了渦流JE在偏置磁場Bs和交變電磁場Bd作用下產(chǎn)生洛倫茲力fL的過程。

2 電磁超聲實驗系統(tǒng)

以Ritec公司生產(chǎn)的SNAP-5000為研究平臺，本文搭建的電磁超聲鋼板厚度檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。激勵部分和接收電路由SNAP-5000系統(tǒng)及其相關(guān)模塊組成。SNAP-5000產(chǎn)生6個周期的高頻大功率正弦波脈沖串，經(jīng)過匹配阻抗、收發(fā)雙工器模塊后，激勵自發(fā)自收的EMAT工作，在試件表層激發(fā)出超聲波，用于檢測試件。在鋼板中傳播并反射回到上表層的超聲回波信號被EMAT接收，經(jīng)過再雙工器模塊傳輸至SNAP-5000由示波器顯示和采集。在整個電磁超聲波的激發(fā)和接收過程中，鋼板的上表層參與了換能過程。

圖2 電磁超聲檢測系統(tǒng)示意圖

在實驗中，電磁超聲換能器采用外圈發(fā)射、內(nèi)圈接收的一體化結(jié)構(gòu)，由相互垂直的條形永久性磁鐵和“螺旋”線圈組成，EMAT實物圖如圖3所示。其中，永久磁鐵選用釹鐵硼，用于提供換能器工作所需的靜態(tài)偏置磁場；線圈則由直徑為0.2 mm的銅漆包以“螺旋形”繞12圈制成。檢測試件為4.0 mm厚的45#鋼板，檢測信號由采樣頻率為100 MHz的示波器進行采集。

圖3 實驗所使用的EMAT實物圖

3 影響檢測信號的因素分析

3.1 頻率改變對換能效率的影響

實際上，EMAT在檢測過程中，可以通過式（6）改變線圈相鄰導(dǎo)線間距L以及激勵信號頻率f，進而改變波在鋼板內(nèi)部的傳播角度θ，就會產(chǎn)生不同模式的波。

式中：C是聲波的速度。在本文中傳播角度θ=90°，L=0.2 mm，那么要在實驗中產(chǎn)生電磁超聲橫波，波速C=3 230 m/s，由式（6）可以計算得出高頻線圈的激勵頻率f=8.07 MHz。

在實際實驗中，激勵信號頻率的選取應(yīng)綜合考慮被測對象的物理性能、EMAT的工作環(huán)境、檢測精度等條件。同時，材料物理特性的不同對激勵頻率也有一定的影響，當材料的晶粒較粗時，超聲波在其中的衰減也比較大，且易產(chǎn)生反射波。

根據(jù)相關(guān)檢測技術(shù)手冊［7］，可知鋼板的最佳激勵頻率參考范圍是2 MHz～15 MHz。當采用較低頻激勵信號時，雖然在被測導(dǎo)體中聲波衰減小、穿透能力強、傳播距離長，但是信號幅值較小，超聲回波信噪比低，不能有效利用。而采用高頻激勵信號時，產(chǎn)生的超聲波波長短，能量集中，因此檢測缺陷的精度高、分辨力好、定位準確。但高頻超聲波在被測導(dǎo)體中的衰減大、穿透能力差、傳播距離短［9-10］。為研究回波幅值與檢測頻率的關(guān)系，找到EMAT的最佳激勵頻率，本文以4.0 mm厚的鋼板為例，通過對比不同頻率下的回波信號來分析激勵信號頻率對檢測結(jié)果的影響。設(shè)定激勵信號的頻率范圍為4 MHz～14 MHz，步進增量為0.1MHz，得到不同激勵頻率下的超聲回波幅值如圖4所示。

圖4 回波信號的幅值-頻率關(guān)系圖

從圖4可以看出，在頻率7.99 MHz處，回波幅值最大。激勵頻率太小，不能完全激發(fā)試件內(nèi)質(zhì)點的振動，造成回波幅值微弱；激勵頻率太大，質(zhì)點的振動在傳播過程中又急劇衰減，反而無法提高回波幅值。當激勵頻率和EMAT的固有頻率相同時，螺旋線圈的總體外特性就會呈純阻性，換能效率最高，該實驗結(jié)果與理論值相一致，證明了實驗平臺及自制EMAT的穩(wěn)定性與準確性。此實驗也說明，多螺旋線圈結(jié)構(gòu)具有很好的選頻特性，在設(shè)計頻率之處，超聲波具有最大的幅值。由以上分析可知，EMAT檢測中應(yīng)該選擇合適的激勵頻率，過高和過低的頻率都會影響檢測結(jié)果。

3.2 激勵信號的脈沖寬度對換能效率的影響

激勵信號的脈沖寬度對系統(tǒng)的工作性能也有較大的影響，在頻率和振幅一定的情況下，脈沖寬度越大，所包含的單脈沖個數(shù)就越多，攜帶的能量也就越大，產(chǎn)生的超聲波傳播得也越遠，但同時分辨力會下降。若脈沖寬度太窄，因為脈沖寬度與信號所含有的頻率分量成反比，信號所含頻率分量就會增多，要求檢測系統(tǒng)具有比較寬的通頻帶，否則會引起檢測信號失真，但通頻帶的加寬同時會帶來大量的噪聲，影響接收信號的質(zhì)量［11-12］。

圖5所示為不同周期個數(shù)激勵信號的回波幅值，激勵信號周期增加時回波幅值相應(yīng)增大，周期個數(shù)超過一定范圍會造成一次回波信號畸變，影城測量結(jié)果。在本次試驗中，當超聲信號周期數(shù)為6時，發(fā)射脈沖串不會與回波發(fā)生疊加且波形較好，前后波包之間分界較為明顯，所以實驗取超聲信號周期數(shù)為6。

3.3 提離距離改變對換能效率的影響

因為電磁超聲在檢測材料時是非接觸的，所以線圈與被測試件的接近程度是影響信號強度的主要因素。信號強度隨提離距離的變化函數(shù)如式（7）：

式中：S0為零間隙時的信號強度；為線圈距試件表面的距離（提離距離）；L為線圈導(dǎo)線的間距。

為證實這個理論，進行了以下不同提離距離的實驗。通過在電磁超聲換能器下方墊上不同張數(shù)的打印紙來改變它的提離距離，墊的紙不會干擾到高頻線圈工作，由此來研究提離距離對接收信號的影響［14］。每張標準打印紙的厚度約為0.1 mm，從不墊紙到墊9張紙共做10組實驗，不同提離距離下的回波信號如圖6所示。

圖5 不同脈寬激勵信號下的回波信號

由圖6可以看出，隨著提離距離的增加，接收信號的幅值急劇下降。圖7是二次回波信號幅值隨提離距離增加時的變化趨勢，可以看出：信號的幅值隨提離距離的增大迅速衰減，形如式（7）的指數(shù)擬合曲線變化規(guī)律也與實測數(shù)據(jù)基本一致。因此在電磁超聲檢測過程中，為獲得較強的回波信號需要縮小提離距離，同時確保檢測過程中其值保持不變，避免因提離距離的波動造成回波幅值的劇烈波動，影響最終測量結(jié)果。

圖6 不同提離距離下的回波信號

圖7 回波幅值-提離距離的關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文在EMAT檢測系統(tǒng)能夠有效檢出鋼板厚度的基礎(chǔ)上，分別對線圈激勵頻率、脈沖寬度和EMAT提離值3個與檢測效果相關(guān)的量進行了實驗研究，并對結(jié)果進行分析。

線圈的激勵頻率應(yīng)該根據(jù)波速、線圈中相鄰導(dǎo)線間距與激勵頻率的匹配公式進行計算，實驗發(fā)現(xiàn)當激勵頻率和EMAT固有頻率相同時其換能效率最高，能有效消除震蕩回波對接收信號的干擾，提高信噪比。脈沖寬度也應(yīng)根據(jù)檢測對象的實際情況而定，一般情況下可選擇單脈沖個數(shù)為4個～8個。EMAT檢測過程中，提離距離對信號幅值的影響非常大，檢測時應(yīng)該保證提離距離盡可能小并具有較好的穩(wěn)定性，這樣接收信號不僅能量高，且信號質(zhì)量很好，有利于后期的分析處理。

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江 念（1988-），男，博士生，主要從事磁通門傳感器研發(fā)、電磁無損檢測研究等。在《兵工學(xué)報》、《固體火箭技術(shù)》、《儀表技術(shù)與傳感器》、《測試技術(shù)學(xué)報》等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文篇，其中被EI收錄2篇，jiang_nian@yeah.net；

陳友興（1978-），男，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事超聲檢測機理、在線實時監(jiān)測技術(shù)、陣列信號處理與重建，chenyouxing@nuc.edu.cn。

王召巴（1967-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事無損檢測及自動化裝置研究，信號信息處理與重建，wangzb@ nuc.edu.cn；

The Experiment Parameters of The Steel-sheet Thickness Measurement By Electromagnetic Ultrasonic*

JIANG Nian，WANG Zhaoba，CHEN Youxing*，CHEN Yu
（National Key Lab for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051）

In order to improve the SNR of the thickness measurement testing，study the effects caused by the excitation signal and transducer lift-off distance，setting the electromagnetic ultrasonic experiment system.Using the system RITEC-SNAP 5000 produced high-energy sine wave to excite the electromagnetic ultrasonic transducer （EMAT），by adjusting the frequency of the excitation signal，pulse width，change the lift-off distance to observe the change of the ultrasonic echo amplitude.The experiment results showed that，when the excitation frequency was equal to the inherent frequency of EMAT，the transducer high worked efficiency；using six cycles of pulse sequence，the wave boundary between before and after was apparent；in order to obtain larger echo amplitude，the lift-off distance should be minimized.

electromagnetic ultrasonic；nondestructive testing；thickness measurement；excited frequency；lift-off distance EEACC：7230

TB551；TH821；TP391

A

1004-1699（2015）04-0498-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.008

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61201412）

2014-11-26 修改日期：2015-01-15